生物醫(yī)學(xué)工程二班 彭東旭 雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度測(cè)量電路 設(shè)計(jì)報(bào)告 08 ...

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1、生物醫(yī)學(xué)工程二班 彭東旭 雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度測(cè)量電路 設(shè)計(jì)報(bào)告 08生物醫(yī)學(xué)工程二班 3008202339 彭東旭 雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度測(cè)量電路 血氧飽和度(SO2)是指是血液中被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)。監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度(SaO2)可以對(duì)肺的氧合和血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計(jì)，對(duì)于某些疾病的監(jiān)測(cè)與診斷有著十分重要的意義。正常人體動(dòng)脈血的血氧飽和度為98% ，靜脈血為75%。 （Hb為血紅蛋白，hemog

2、lobin，簡(jiǎn)寫Hb）。 血氧飽和度的計(jì)算公式為： 雙波長(zhǎng)頻分式血氧飽和度測(cè)量?jī)x，是利用光電轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計(jì)相關(guān)電路獲取相關(guān)信號(hào)，對(duì)獲取信號(hào)進(jìn)行頻域的分離再通過(guò)人體組織對(duì)不同波長(zhǎng)的紅光和紅外光的吸光度變化率之比(R/IR值)推算出組織的動(dòng)脈血氧飽和度的儀器。 一、重要定律和理論基礎(chǔ) 1.朗伯—比爾定律： 物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度與其濃度呈正比 郎伯—比爾定律可用下式表示： 式中：I0為入射光強(qiáng)，I為透射光強(qiáng)，α為吸光物質(zhì)的吸光系數(shù)，c為吸光物質(zhì)的濃度，l為吸光物質(zhì)的傳輸距離（吸收層厚度）。 該定律反映了物質(zhì)在一定波長(zhǎng)處的吸光度與其濃度成正比的光學(xué)吸收規(guī)律。若選擇適宜波長(zhǎng)的

3、光，測(cè)量物質(zhì)的吸光系數(shù)即可求其濃度。 然而，該定律存在以下幾點(diǎn)限制條件： (1) 入射光為平行單色光且垂直照射； (2) 吸光物質(zhì)為均勻非散射體系； (3) 吸光質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)相互作用； (4) 輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收,無(wú)熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生. 生物組織是一種強(qiáng)散射介質(zhì)，而郎伯—比爾定律不適用于發(fā)生散射的情況，故根據(jù)光的粒子性和組織的吸收特性對(duì)光傳播距離的影響，在此引入修正的郎伯—比爾定律： 式中：A為吸光度， I0為入射光強(qiáng)，I為透射光強(qiáng)，ε為分子的消光系數(shù)，c為吸光物質(zhì)的濃度，l為光在組織中的平均光程，G是由散射引起的光損失。 2.動(dòng)態(tài)光譜理論

4、： 分別對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)入射光所對(duì)應(yīng)的光電脈搏波中，提取相應(yīng)的脈動(dòng)動(dòng)脈血液的吸光度，由這些吸光度組成的光譜，稱之為動(dòng)態(tài)光譜。動(dòng)態(tài)光譜提取法（頻域）可以直接提取各波長(zhǎng)中僅由血液成分產(chǎn)生的吸光度光譜，消除測(cè)量中由于皮膚組織和肌肉組織產(chǎn)生的個(gè)體差異。 由于動(dòng)脈的脈動(dòng)現(xiàn)象，使血管中的血流量呈周期性變化，而血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性較血液中大數(shù)十倍。因此，脈搏搏動(dòng)的變化必然引起近紅外光譜吸光度的變化，而得出的信號(hào)也與脈搏波對(duì)應(yīng)，如圖1所示。 圖1 動(dòng)態(tài)光譜檢測(cè)原理 二、待測(cè)量信號(hào)分析 1.脈搏波的產(chǎn)生： 脈搏波是以心臟搏動(dòng)為動(dòng)力源，通過(guò)血管系統(tǒng)得傳導(dǎo)而產(chǎn)生的容積

5、變化和振動(dòng)現(xiàn)象的反映。當(dāng)心臟收縮時(shí)，有血液進(jìn)入原已充滿血液的動(dòng)脈中使得該處血管壁擴(kuò)張；心臟停止收縮時(shí)，原來(lái)擴(kuò)張的血管也隨之收縮，并驅(qū)動(dòng)血液向前流動(dòng)，從而又使前面的血管壁擴(kuò)張，如此往復(fù)。此過(guò)程類似于波在介質(zhì)中的傳播，因而稱為脈搏波，它包含了許多重要的生理信息，也因此成為提取信息的重要媒介，圖2表示的是一個(gè)典型的脈搏波形。電路將來(lái)要得出的應(yīng)該是一系列周期變換的類似的波形。 圖2 一個(gè)典型的脈搏波波形 2.吸光性曲線 由血氧飽和度的計(jì)算公式可以看出，血氧飽和度的值受HbO2和HbR濃度的影響，而通過(guò)對(duì)人體測(cè)量時(shí)二者吸光能力的分析可以相對(duì)應(yīng)地得出其濃度關(guān)系，再進(jìn)一步計(jì)算便可，本設(shè)計(jì)的理念

6、也便在此，圖3是兩者的吸光曲線： 圖3 HbO2和HbR的吸光曲線 三、相關(guān)計(jì)算公式、參數(shù)間關(guān)系以及重要參數(shù)的選定 1.最終應(yīng)用公式及相關(guān)公式的說(shuō)明： 式中：I0為入射光強(qiáng)，I為透射光強(qiáng)，l為光路長(zhǎng)度，a1和a2分別為HbO2和Hb在波長(zhǎng)λ1處的吸光系數(shù)，c1和c分別為HbO2和Hb的濃度。進(jìn)一步整理： a1、a2、b1、b2都是吸光系數(shù)，不需要通過(guò)測(cè)量得出，故Q為上式中唯一變量，而動(dòng)態(tài)光譜分析中Q值用以下方式計(jì)算： 要測(cè)量出Q值，可設(shè)法測(cè)得Imin和Imax 2.參數(shù)的選定： 驅(qū)動(dòng)信號(hào)充當(dāng)?shù)氖钦{(diào)制過(guò)程的載波，其頻率應(yīng)當(dāng)選用工頻的整數(shù)倍以降低工頻干擾，這里先選擇

7、400Hz和800Hz，今后再視情況而更改。（待完善） 四、電路基本流程圖： 流程圖如圖4所示 雙帶通濾波電路濾波 電流電壓轉(zhuǎn)換電路 二極管發(fā)光電路 單片機(jī)輸出方波驅(qū)動(dòng)信號(hào) 雙低通濾波電路濾波 輸出信號(hào) 增益放大電路 雙檢波電路 分析計(jì)算 電源 圖4 設(shè)計(jì)流程圖 五、器件選擇和電路實(shí)現(xiàn)： 1、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生： 驅(qū)動(dòng)信號(hào)充當(dāng)?shù)氖钦{(diào)制過(guò)程中的載波，一般來(lái)說(shuō)可以采用方波，也可以采用正弦波，從頻域來(lái)看，正弦波是單一頻率的信號(hào)，而由方波的傅立葉變換： ft=4Aπ[sinΩt+13sin3Ωt+15sin5Ωt……] 可以得出：方波是由某一頻率的正弦波及其

8、各級(jí)諧波組成的，方波信號(hào)實(shí)際上包含了很多個(gè)頻率的正弦信號(hào)，這樣的話容易造成調(diào)制信號(hào)最后難以精確的解調(diào)，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用正弦波信號(hào)驅(qū)動(dòng)。然而，正弦波的產(chǎn)生又有以下幾種途徑： a.RC文氏橋振蕩電路： 圖5 文氏橋RC振蕩電路 b.555定時(shí)器（+低通濾波電路）： 圖6 555定時(shí)器方波產(chǎn)生電路 該電路的理念是，555定時(shí)器產(chǎn)生方波信號(hào)，然后，由于方波是由正弦波及其多重諧波合成的，可以用一個(gè)低通濾波器濾出想要的正弦波； c.單片機(jī)+低通濾波電路： 和上一個(gè)電路相仿，只是改成單片機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生方波信號(hào)。 以上三種電路是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方案，但是由于電路中各器件的不穩(wěn)定性致使整體

9、電路不穩(wěn)定，相比之下，第三種方案最為可靠，便于調(diào)節(jié)。出于成本考慮，本設(shè)計(jì)先行選擇第二種方案，若實(shí)際調(diào)節(jié)相當(dāng)困難再選擇第三種方案。 2、低通濾波電路： 由于采用的是555定時(shí)器和低通濾波器組成的正弦波發(fā)生電路，因此要用一個(gè)低通或者帶通電路來(lái)將方波中正弦分量分離出來(lái)； 3、驅(qū)動(dòng)電路： 如圖7所示電路，兩輸入端分別接1和2組成的正弦波產(chǎn)生電路，該電路使兩個(gè)二極管發(fā)光作用于人體組織（手指），這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)調(diào)制的過(guò)程。 圖7 驅(qū)動(dòng)電路 4、電流電壓轉(zhuǎn)換電路 該電路通過(guò)光敏二極管受光作用，產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)跨越性的一步——光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使問(wèn)題可以由電路方式解決（參數(shù)待

10、選），如圖8所示: 圖8 電流電壓轉(zhuǎn)換電路 5、帶通濾波電路： 實(shí)現(xiàn)此環(huán)節(jié)有兩種可選方式，一種是利用芯片，另一種是直接搭建電路，當(dāng)然，后者的穩(wěn)定性相對(duì)較差，如果實(shí)際操作比較難以調(diào)試的話，可選用芯片方式。當(dāng)前可依照?qǐng)D所示電路調(diào)試（參數(shù)可先借助軟件Filter Wiz Pro來(lái)確定，再由實(shí)際調(diào)試而最終確定） 圖9 四階巴特沃斯帶通濾波電路 5、檢波電路： 檢波是解調(diào)的一種，是幅度調(diào)制的解調(diào)，檢波的常用方式有兩種——同步檢波和包絡(luò)檢波，同步檢波比較難于做到，因而采用包絡(luò)檢波.包絡(luò)檢波的基本電路如圖所示， 圖10 包絡(luò)檢波一般電路 采用包絡(luò)檢波時(shí)應(yīng)該注意參數(shù)的選擇，否則會(huì)導(dǎo)致以下兩種失真： 圖11 包絡(luò)檢波之惰性失真 圖12 包絡(luò)檢波之底部切割失真 參數(shù)選擇的幾項(xiàng)依據(jù)（待查） 6、放大電路： 由于信號(hào)經(jīng)過(guò)前幾步后依然不好準(zhǔn)確測(cè)量（幅值較?。?，因此增設(shè)了此項(xiàng)增益放大模塊，如圖13所示。 圖13 放大電路模塊 7、電源： 電源采用電子工藝課程上曾經(jīng)搭建過(guò)的電路，也是大家最普遍應(yīng)用的電路，如圖所示： 圖14 穩(wěn)壓電源 六、分析、計(jì)算：有待完善； 七、總結(jié)：有待完善； 15